作者/ 張高明 吳新春 白天蕊 西南交通大學(xué) 信息科學(xué)與技術(shù)學(xué)院(四川 成都 610031)

摘要：滾動軸承是列車最重要的機(jī)械部件之一，它在列車行駛中起著承受載荷和傳遞載荷的作用，工作條件十分惡劣。同時滾動軸承也是易損元件。據(jù)統(tǒng)計，旋轉(zhuǎn)機(jī)械的故障有30%是由滾動軸承故障引起的,它的好壞對列車的工作狀態(tài)影響極大。因此，研究軸承故障診斷技術(shù)對于列車安全運(yùn)行十分有意義。目前有很多軸承故障檢測方法。大致可以分為:振動法、噪聲法、溫度法、油樣分析法。其中溫度監(jiān)測對軸承負(fù)荷、速度和潤滑情況的變化反映比較敏感，尤其是對潤滑不良而引起的軸承過熱現(xiàn)象很靈敏^[1]。針對鐵路快捷貨車車廂沒有電源、車輛隨時解編或編組、無人值守等問題，提出快捷貨車軸溫監(jiān)測方法，采用無線通信技術(shù)ZigBee和數(shù)字溫度傳感器DS18B20準(zhǔn)確快速地測量多個車廂軸溫，利用CC2530星型網(wǎng)絡(luò)實現(xiàn)各個車廂的軸承溫度匯集以及報警功能。

引言

　　當(dāng)前，鐵路貨運(yùn)物流嚴(yán)重滯后，除了鐵路基礎(chǔ)建設(shè)不足，更重要的是大量的貨車速度普遍在100公里/小時以下，造成這一現(xiàn)象的原因在于滾動軸承作為機(jī)械設(shè)備中重要的旋轉(zhuǎn)零件,也是機(jī)械設(shè)備中重要故障源之一，在軸承正常運(yùn)轉(zhuǎn)期間,如果出現(xiàn)缺油、少油、損傷、摩擦、碰撞等原因，會出現(xiàn)“燒軸”現(xiàn)象^[2]，導(dǎo)致軸承溫度不同程度的上升，因此通過觀察軸溫的變化可以判斷出軸承的運(yùn)行狀況。當(dāng)前，在我國鐵路貨車提速的大背景下，對軸承的安全監(jiān)測技術(shù)提出了更嚴(yán)格的要求，研究軸溫實時監(jiān)測技術(shù)具有實際應(yīng)用價值。目前，檢測軸溫的方法常采用人工定期檢查和紅外測溫和有線測溫法，最早的人工檢查方法就是當(dāng)列車進(jìn)站后，工人用測溫儀器逐個檢查軸承溫度，很明顯，這種方法準(zhǔn)確性不高，實時性差，而且效率低。后來采用紅外測溫法，是在鐵路軌道每隔30公里鋪設(shè)紅外探測器，當(dāng)列車經(jīng)過時采集軸承輻射的電磁波，雖然實現(xiàn)了自動測溫，但由于紅外輻射誤差較高。再后來采用的有線測溫法，但因為采用的PN結(jié)溫度傳感器，準(zhǔn)確性還是不高。針對以上測溫方式存在的問題和缺陷 ，本文提出車載測溫的方法，即采用ZigBee短距離無線自組網(wǎng)和DS18B20單總線數(shù)字輸出技術(shù)，解決了測溫點分散問題，又具有低功耗，實時性強(qiáng)的特點，非常適合于快捷鐵路貨車的軸溫監(jiān)測。

1 系統(tǒng)功能和架構(gòu)配置

　　1.1 功能分析

　　1)能滿足列車運(yùn)行過程中惡劣的環(huán)境要求，如高強(qiáng)度振動和不同地區(qū)的溫度差;

　　2)實時監(jiān)測軸承溫度;

　　3)報警功能，采用絕對溫度和相對溫度判斷軸承狀態(tài)，即絕對溫度(軸承溫度)高于設(shè)定報警溫度T1顯示報警，當(dāng)相對溫度(軸承溫度減去環(huán)境溫度差值)高于設(shè)定的報警溫度T2報警;

　　4)可以人工設(shè)置兩個報警溫度;

　　5)能夠顯示ZigBee組網(wǎng)網(wǎng)絡(luò)拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)。

　　1.2 架構(gòu)配置方案設(shè)計

　　本系統(tǒng)的總體設(shè)計框圖如圖1所示。每節(jié)車廂軸承箱處安裝九個DS18B20，這些溫度傳感器分別采集8個軸承溫度和1個環(huán)境溫度，采集完畢通過單總線的方式送到ZigBee 溫度采集節(jié)點，車廂之間通過ZigBee星型無線網(wǎng)絡(luò)方式與ZigBee匯集節(jié)點通信，并把本車廂溫度數(shù)據(jù)上報到協(xié)調(diào)器處。協(xié)調(diào)器收到數(shù)據(jù)后將數(shù)據(jù)打包成固定的數(shù)據(jù)幀格式，通過Uart口發(fā)送到顯示設(shè)備。同時，外部指令也可以通過串口發(fā)送給ZigBee匯集節(jié)點，然后ZigBee溫度采集節(jié)點會通過廣播收到命令，之后采集溫度或是獲取地址。

2 硬件結(jié)構(gòu)的實現(xiàn)

　　2.1 溫度采集

　　本文采用接觸式數(shù)字溫度傳感器DS18B20，它采用on-board 專利技術(shù)，全部的電路都集成在一個三極管大小的芯片上。DS18B20具有數(shù)字信號輸出和支持單總線多掛特點，可以準(zhǔn)確地測量多個溫度值。DS18B20每一次讀取溫度之前都要進(jìn)行嚴(yán)格時序操作，要讀出當(dāng)前溫度一共需要兩個周期：第一個周期進(jìn)行復(fù)位(初始化)、跳過ROM和開啟溫度轉(zhuǎn)換;第二個周期里執(zhí)行復(fù)位、匹配ROM、寫ROM ID和讀RAM數(shù)據(jù)。

　　本文采用的是單總線多掛的結(jié)構(gòu)測溫，CC2530的P0_6口接DS18B20的DQ控制器，依次向單總線寫入ROM ID，比較單總線上的ROM ID和本身ROM ID，若相同，則響應(yīng)后面的操作，最后讀出該節(jié)點溫度;若不同，則不會響應(yīng)。由于ROM ID是唯一的，所以每次只會有一個DS18B20響應(yīng)。

　　2.2 ZigBee節(jié)點設(shè)計

　　TI公司的CC2530是專門針對IEEE 802.15.4和ZigBee應(yīng)用的單芯片解決方案，可工作在2.4GHz的16個信道。理論上傳輸距離在0~400m，最高傳輸速率可達(dá)200Kbps。從網(wǎng)絡(luò)配置上來講，ZigBee網(wǎng)絡(luò)中有3種類型的節(jié)點：ZigBee協(xié)調(diào)器節(jié)點、ZigBee路由器節(jié)點和 ZigBee終端節(jié)點，這三種節(jié)點在硬件上是完全一樣的，都可以通過軟件配置成不同的節(jié)點。ZigBee三種常見的網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)分別是：星狀網(wǎng)絡(luò)、樹狀網(wǎng)絡(luò)和Mesh網(wǎng)絡(luò)。本文溫度采集節(jié)點全部配置成終端設(shè)備，只負(fù)責(zé)和DS18B20采集溫度。終端設(shè)備采集到溫度或者地址信息后重新生成固定的幀格式發(fā)送到協(xié)調(diào)器，也就是溫度匯集節(jié)點。本文中設(shè)計的溫度幀格式字段主要有：車廂編號、車廂狀態(tài)、環(huán)境溫度和每個軸承對應(yīng)的溫度和狀態(tài)以及編號。地址幀格式字段有：設(shè)備類型、本節(jié)點地址和父節(jié)點地址。

　　本文采用TI的協(xié)議棧為ZStack-CC2530-2.5.1a，OSAL是一種基于事件驅(qū)動的輪詢式操作系統(tǒng)，采用輪詢的方式不斷地查看事件列表，如果有事件發(fā)生了，則會調(diào)用相應(yīng)的事件處理函數(shù)進(jìn)行處理。

　　為了實現(xiàn)對ZigBee節(jié)點的簡單控制，溫度匯集節(jié)點一旦收到串口接收的命令“colldata”和“topology”，協(xié)調(diào)器就分辨該命令是獲取溫度數(shù)據(jù)還是網(wǎng)絡(luò)拓?fù)洌缓笸ㄟ^廣播向所有終端節(jié)點發(fā)送相應(yīng)的Command ID，終端節(jié)點收到命令后分別設(shè)置兩個事件，一個溫度采集事件和一個獲取地址事件，OSAL檢測到事件后，啟動溫度或者地址獲取動作，并自動發(fā)送到協(xié)調(diào)器。

3 軟件設(shè)計

　　本文的軟件開發(fā)環(huán)境為IAR for 8051 V8.10，支持所有的編譯、調(diào)試和下載。

　　3.1 溫度采集節(jié)點軟件設(shè)計

　　由于DS18B20采用總線協(xié)議方式，有嚴(yán)格的時序概念，因此，對DS18B20的軟件設(shè)計必須嚴(yán)格按照協(xié)議進(jìn)行?？刂破飨駾S18B20發(fā)送復(fù)位脈沖進(jìn)行初始化，初始化成功之后，再向總線寫入“Skip ROM”指令，再接著寫入溫度轉(zhuǎn)換指令。等待少許延時后，讀取轉(zhuǎn)換的溫度，由于要讀取9個溫度值，所以通過一個循環(huán)，每次讀取一個溫度，一共讀取9次即可。其中每一次讀取溫度，都要先初始化，然后匹配要讀取的DS18B20，最后讀取RAM里的溫度。

　　由于溫度采集點采用終端設(shè)備節(jié)點，故只能請求加入網(wǎng)絡(luò)，設(shè)備上電并入網(wǎng)成功與協(xié)調(diào)器綁定完成后，等待協(xié)調(diào)器的指令，如收到指令，則每隔5s鐘采集一次溫度或者獲取一次地址信息，具體流程圖如圖2。

　　3.2 ZigBee匯集節(jié)點軟件設(shè)計

　　匯集節(jié)點一方面收集終端設(shè)備發(fā)送來的數(shù)據(jù)，另一方面通過串口與外部設(shè)備通訊，這里為了取得模擬效果，采用串口助手來演示數(shù)據(jù)顯示和指令發(fā)送，該部分的軟件設(shè)計流程如圖3。

4 實現(xiàn)結(jié)果和分析

　　本系統(tǒng)設(shè)計的控制指令主要有兩個“topology”和“collect”分別為獲取網(wǎng)絡(luò)拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)和獲取溫度數(shù)據(jù)。當(dāng)在PC的串口調(diào)試界面發(fā)送“topology”，在接收欄界面如圖4所示。當(dāng)PC的串口調(diào)試界面發(fā)送入 “colldata” 收到如圖5的信息。

　　分析：如圖4所示，根據(jù)地址信息可以分析出這是一個星型網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)，跟期望的設(shè)計一致。

　　分析：如圖5所示，Box_no:車廂編號，Et_temp:環(huán)境溫度，Bear_No：軸承編號，Bear_temp:軸承溫度，State:軸承狀態(tài)。按照報警原理，軸承狀態(tài)取決于設(shè)定的絕對報警溫度和相對報警溫度，只要軸承滿足任意一個報警條件，就會顯示故障狀態(tài)F(False)，否則顯示N(Normal)，對比各個車廂的軸承溫度準(zhǔn)確地反映了工作狀態(tài)，證明了此系統(tǒng)工作的正確性。

5 總結(jié)

　　本文專門針對鐵路快捷貨車的自身特點以及鐵路貨運(yùn)需求，提出鐵路貨車軸承溫度自動監(jiān)測的解決方案，設(shè)計了以CC2530和DS18B20為核心軸承溫度監(jiān)測的軟硬件部分。本系統(tǒng)著重介紹了ZigBee控制DS18B20采集溫度、無線傳輸、指令控制和報警顯示等部分。經(jīng)過實驗測試，各項顯示正確地反映了軸承的狀態(tài)，證明了本設(shè)計的應(yīng)用價值。

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本文來源于中國科技期刊《電子產(chǎn)品世界》2016年第10期第79頁，歡迎您寫論文時引用，并注明出處。